Выбор и оптимизация перспективной конструктивно-силовой схемы фюзеляжа из полимерных композиционных материалов беспилотного летательного аппарата

Фюзеляж — основной элемент беспилотного летательного аппарата, оптимизация параметров которого может повысить прочностные и весовые характеристики конструкции. В решении этой задачи могут помочь как современные полимерные композиционные материалы, обладающие высокими удельными характеристиками, так и перспективные силовые схемы. Выбор и оптимизация конструктивно-силовой схемы фюзеляжа беспилотного летательного аппарата является актуальной задачей. Проведен анализ нагрузок на конструкцию при различных режимах полета и маневров беспилотного летательного аппарата. Спроектировано восемь конструктивно-силовых схем фюзеляжа, включающих в себя классические, сетчатые, ауксетические и биоподобные конструкции. Рассмотрена работа силовых схем из углепластика под действием полученных нагрузок, определено их напряженно-деформированное состояние. Выбрана рациональная схема по критериям минимальной массы и максимальной несущей способности, для которой определены основные параметры. Показано преимущество перспективной силовой схемы перед классической. Полученные результаты являются частью комплексных исследований перспективных конструктивно-силовых схем из полимерных композиционных материалов.

Литература

[1] Павлов М.С., Каравацкий А.К., Костюшин К.В. и др. Оптимальное проектирование корпуса беспилотного летательного аппарата. Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, 2021, № 73, с. 71–80, doi: https://doi.org/10.17223/19988621/73/7

[2] Reznik S.V., Esetbatyrovich A.S. Composite air vehicle tail fins thermal and stress–strain state modeling. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, no. 1, art. 020012, doi: https://doi.org/10.1063/5.0036561

[3] Tun L.H., Prosuntsov P.V. Parametric and topology optimization of polymer composite load bearing elements of rear part of aircraft fuselage structure. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, no. 1, art. 020008, doi: https://doi.org/10.1063/5.0035742

[4] Clint J., Kumar S., Shaik N. Buckling analysis on aircraft fuselage structure skin. IJIERD, 2014, vol. 2, no. 4, pp. 3461–3474.

[5] Zheleznov L.P., Sereznov A.N. Nonlinear deformation and stability of the aircraft fuselage composite section under pure bending. Russ. Aeronaut., 2021, vol. 64, no 3, pp. 385–393, doi: https://doi.org/10.3103/S106879982103003X

[6] Промахов В.В., Жуков А.С., Зиатдинов М.Х. и др. Получение металломатричных композиционных материалов с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Москва, ВИАМ, 2019, с. 317–335.

[7] Тун Лин Хтет. Анализ расчетных случаев нагружения фюзеляжа самолета и топологическая оптимизация его силового набора. Сб. тез. XLIV Академических чтений по космонавтике. Т. 1. Москва, изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020, с. 142–144.

[8] Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design. Arch. Computat. Methods Eng., 2016, no. 23, no. 4, pp. 595–622, https://doi.org/10.1007/s11831-015-9151-2

[9] Барановски С.В., Михайловский К.В. Оптимизация основных геометрических характеристик силовых элементов крыла из полимерных композиционных материалов. Ученые записки ЦАГИ, 2019, т. 50, № 3, с. 87–99.

[10] Юргенсон С.А., Ломакин Е.В., Федулов Б.Н. и др. Конструкционные элементы на основе метаматериалов. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2020, № 4, с. 211–219, doi: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.4.18

[11] Склезнев А.А., Червяков А.А., Агапов И.Г. Решение задачи оптимизации в целях проектирования сетчатой структуры из полимерных композиционных материалов с наружной обшивкой. Научный вестник МГТУ ГА, 2022, т. 25, № 4, с. 70–82, doi: https://doi.org/10.26467/2079-0619-2022-25-4-70-82

[12] Ковальчук Л.М., Бурнышева Т.В. Исследование напряженного состояния и оценка устойчивости анизогридной цилиндрической оболочки при изменении параметров реберной структуры при статическом нагружении. Сибирский аэрокосмический журнал, 2022, т. 23, № 1, с. 81–92.

[13] Бурнышева Т.В., Штейнбрехер О.А. Параметрическая оптимизация анизогридных оболочек нерегулярной структуры. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, № 8, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2019-8-1910

[14] Азаров А.В., Разин А.Ф. Местная устойчивость ребер композитных сетчатых конструкций. Конструкции из композиционных материалов, 2021, № 2, с. 3–8.

[15] Петрова Т.Е. Ауксетики: материалы с «обратными» свойствами. В: Вузовская наука в современных условиях. Ч. 2. Ульяновск, УГТУ, 2022, с. 41–44.

[16] Ерофеев В.И., Павлов И.С. Механика и акустика метаматериалов: математическое моделирование, экспериментальные исследования, перспективы применения в машиностроении. Проблемы прочности и пластичности, 2021, т. 83, № 4, с. 391–414, doi: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2021-83-4-391-414

[17] Tan T., Soboyejo W. Bamboo-inspired materials and structures. In: Bioinspired structures and design. Cambridge, Cambridge University Press, 2020, pp. 89–110, doi: https://doi.org/10.1017/9781139058995.005

[18] Гузева Т.А., Малышева Г.В. Особенности разработки конструкторско–технологических решений при проектировании деталей из полимеров и композитов. Технология металлов, 2022, № 4, с. 35–41.

[19] Fedulov B., Fedorenko A., Khaziev A. et al. Optimization of parts manufactured using continuous fiber three-dimensional printing technology. Compos. B. Eng., 2021, vol. 227, art. 109406, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109406

[20] Fernandez F., Lewicki J.P., Tortorelli D.A. Optimal toolpath design of additive manufactured composite cylindrical structures. Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 2021, vol. 376, art. 113673, doi: https://doi.org/10.1016/j.cma.2021.113673

[21] Baranovski S.V., Mikhailovskiy K.V. Ultralight structurally optimized carbon fibre reinforced polymer composite wing designing based on parametric modelling and topology optimization. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2021, vol. 1060, art. 012013, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/1060/1/012013

[22] Михайловский К.В., Барановски С.В. Определение аэродинамических нагрузок на крыло с учетом основных элементов авиалайнера при параметрическом моделировании. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2018, № 5, с. 15–28, doi: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2018-5-15-28

[23] Барановски С.В., Михайловский К.В. Структурно-оптимизированная конструкция крыла из полимерных композиционных материалов. Часть 2. Направленная укладка волокон в слое. Ученые записки ЦАГИ, 2020, т. 51, № 3, с. 67–77.